基于集合预报的中国极端强降水预报方法研究

极端强降水天气属于小概率事件,其发生具有很多不确定的因素,预报难度很大。根据Anderson-Darling检验原理研究基于集合预报资料的极端强降水天气预报方法,利用2007—2010年中国T213集合预报资料和2001—2010年6—8月中国降水观测资料,分析观测与集合预报累积概率密度分布函数的特征,建立基于集合预报与模式历史预报累积概率密度分布函数连续差异的数学模型——极端降水天气预报指数(EPFI),并对2011年7月中国极端强降水天气进行预报试验。结果表明,极端降水天气预报指数可以充分利用集合降水累积概率密度分布的尾端信息,为极端强降水提供科学合理的预报,基于中国气象局(CMA) T213集合预报的极端降水天气预报指数可提前3—7 d发出极端强降水预警信号,随着预报时效的延长,预报技巧逐渐降低。研究还表明,模式气候累积概率分布的合理性将直接影响极端强降水天气识别能力。     

基于T213集合预报的极端天气预报指数及温度预报应用试验

本文基于中国T213集合预报系统资料,借鉴欧洲中期天气预报中心极端天气预报指数的数学处理方案,在分析T213模式数据特征的基础上,研究了T213集合预报系统极端天气预报指数的数学处理方法,建立了适合T213集合预报模式的极端天气预报指数,并利用该指数对2008年1月极端低温天气进行了预报试验和评估检验,分析模式气候累积概率分布生成方法对极端天气预报指数的影响,得到以下结论：（1）确定了利用T213集合预报系统所有预报成员生成的模式气候累积概率分布计算极端天气预报指数;（2）利用TS评分确定极端天气预报指数发布极端低温预警信号的阈值为-0．3并进行预报试验。试验结果表明,极端天气预报指数对极端低温天气具有较好的识别能力,可提前3-5天发出极端低温预警信号。利用相对作用特征曲线对极端天气预报指数识别极端天气的技巧进行评估检验,检验结果显示,基于T213集合预报生成的极端天气预报指数对极端低温的预报存在正的识别技巧,随着预报时效的延长,识别技巧逐渐降低。（3）评估不同模式气候累积概率分布对极端天气预报指数识别极端低温天气技巧的影响,结果表明：产生模式气候累积概率分布的模式数据误差一致性是关键因素。     

基于集合预报的川渝地区极端降水指数应用研究

利用2007—2012年中国气象局T213集合预报资料,根据Lalaurette提出的集合预报极端天气指数预报方法,提取并对比分析了川渝地区的集合预报累计概率密度分布函数特征,建立了基于集合预报与其历史预报的累计概率密度分布函数连续差异的数学模型—极端降水预报指数(EPFI),并对川渝地区历史上3次预报服务误差较大的典...     

基于T213集合预报的中国极端温度预报方法研究

基于中国T213集合预报系统资料,根据Anderson-Darling检验原理,研究基于集合预报与模式历史预报累积概率密度(简称模式气候)分布函数连续差异特征的极端温度天气预报方法,建立极端温度天气预报指数(Extreme Temperature Forecast Index, 简称EFI)的数学模型。利用S指数评分方法确定发布极端温度预警信号的阈值,得出:1月的发布极端高温的预警信号的阈值为0.7或0.8,发布极端低温的预警信号的阈值为-0.7或-0.8。基于EFI指数以及该阈值,对2013年1月中国极端温度天气进行预报试验,得出:极端天气预报指数对极端温度天气具有较好的识别能力,可提前3~7 d发出极端温度预警信号,随着预报时效的延长,预报技巧逐渐降低。     

基于降水极端预报指数的福建台风极端降水预报研究

应用1961—2017年中国气象局热带气旋最佳路径数据集、国家地面气象观测站日降水观测资料和2015年8月—2017年12月欧洲中期天气预报中心(ECMWF)集合预报系统降水极端预报指数(EFI)数据,根据百分位法定义台风影响期间福建省各站点的台风极端降水阈值,采用最小阈值法剔除台风极端降水时EFI箱线图中的异常值,保...     

ECMWF降水极端天气指数在浙江的应用评估

利用2016年6月—2017年5月ECMWF降水极端天气指数(EFI)预报资料,分析了降水EFI与不同量级强降水、降水气候百分位在浙江的关系。结果表明:总体而言,浙江省降水EFI与实况降水存在明显的正相关关系。随着EFI阈值的增加,暴雨发生频次先增加后减少,而且暴雨发生的概率随着EFI阈值的增加而增大。综合考虑TS、BS评分,EFI阈值随着预报时效的延长而减小;随着降水量级的增加而增大。降水EFI值与降水气候百分位存在明显的正相关关系,当EFI值较高时,预示着较大的几率出现极端降水,此时可参考当地相对应的气候百分位的降水量来估计降水。     

中国和日本气候极端降水研究

采用气候极端降水分析方法,把降水时空分布特征结合起来进行研究,揭示了近４０年中国和日本不同量级降水特征及变化趋势。同时分析了阶段性气候极端降和强的差异,并分析比较了我国华北降水不同变化阶段日雨量的变化特征,指出两者的主要差别在极端 水的量值上。     

基于ECMWF极端降水天气指数的四川盆地暴雨预报研究

本文利用EC集合预报提供的极端降水天气指数能指示极端天气事件的特点,研究了四川盆地夏季(6-9月)的暴雨落区预报。综合考虑不同极端降水天气指数阈值对应的暴雨TS、ETS评分及各阈值评分最高时的发生频次,获得暴雨预报对应的最佳极端降水天气指数阈值。结果显示,08时起报的24h、48h、72h、96h、120h时效对应的阈值分别为0.5\0.6、0.5、0.4\0.5、0.4、0.2\0.3,20时起报的24h、48h、72h、96h、120h时效对应的阈值分别为0.5、0.4\0.5、0.4\0.5、0.3\0.4、0.1\0.3,通过检验表明这些阈值对暴雨落区的预报具有较好的指示意义。      

ECMWF极端降水预报指数在华东台风暴雨中的应用研究

台风强降水易引发极端天气事件,预报的难度和不确定性都很大。选取2013—2017年影响华东的13个台风个例,研究ECMWF集合预报降水极端天气预报指数(extreme forecast index,EFI)与台风暴雨的统计关系。研究结果表明:EFI降水指数对台风暴雨的预报具有一定的指示意义,对不同时效选取不同的EFI阈值可以作为暴雨落区预报的参考依据。总体来看:EFI增大,发生强降水的可能性增大;随着预报时效的增加,EFI阈值逐渐减小。以TS评分最大为标准,分别确立了不同时效、不同等级暴雨在华东区域的预报阈值。对于24、48、72、96 h时效的暴雨预报,EFI阈值分别取0.7/0.8、0.7、0.6、0.5可以获得较高的TS评分及合理的预报偏差,因此可将它们作为不同时效暴雨预报的参考阈值。EFI与降水的气候百分位有较好的相关关系,EFI值越大,降水气候百分位值也越大。当EFI值较大时,可参考相对应气候百分位的实况降水量来估测台风降水。极端天气预报指数对极端降水天气具有较好的识别能力,可提前3～5 d提供极端降水信息。     

基于集合预报极端天气预测指数的浙江分类强对流预报模型

利用2016—2021年ECWMF集合预报资料、浙江自动站实况资料等,计算浙江短时强降水、雷暴大风和冰雹等强对流天气相关物理量的极端天气预报指数（EFI：Extreme Forecast Index）,分析EFI分布特征,并构建了分类强对流预报模型。结果表明：强对流天气与物理量的EFI有密切联系,发生短时强降水时,对流有效位能、整层可降水量、850 hPa与500 hPa温差和位温差的EFI较大,而垂直风切变的EFI为负值,因而较小的垂直风切变更有利于出现极端降水;发生雷暴大风和冰雹时,对流有效位能、850 hPa与500 hPa温差和位温差以及850 hPa温度露点差的EFI较大,700 hPa露点温度的EFI为负值,与上层干冷下层暖湿的有利层结条件有关。利用支持向量机多分类方法,将强对流天气相关物理量的EFI作为特征值开展训练,构建的预报模型对于非局地强对流天气有较好的预报效果,其中短时强降水的误判率明显低于雷暴大风。     

江淮梅雨期极端降水的气候特征

应用1959—2000年江淮地区76站逐日降水资料,对梅雨期月降水量进行REOF分解。将江淮区分为4个具有不同梅雨期降水空间分布特征的区域,进而分别分析这4个区域梅雨期暴雨以上极端降水的季节、年际和年代际变化特征,以及周期振荡和突变性质。结果表明:4个区暴雨以上极端降水总量和极端降水日数最大值均发生在梅雨期,梅雨期极端降水呈上升趋势,且具有不同的年际和年代际变化特征;江淮西南区梅雨期暴雨总量和暴雨日数在20世纪90年代还存在明显上升突变现象;4个区梅雨期极端降水存在不同时间尺度的周期振荡。     

极端降水事件变化的观测研究

利用湖北1961—2014年站点逐日降水资料及人口和人口城乡构成数据,通过平均值分离、最小二乘法拟合、趋势系数和气候倾向率分析、M-K检验和累积距平检验等方法,从时空分布、趋势变化、局地特征等方面,分析了近54 a湖北极端降水的变化特征及其与城市化的关系,结果表明：(1)对于第95百分位的极端降水事件,湖北极端降水阈值的范围为43.5~85.1 mm,大部分站的阈值在暴雨雨量范围,高阈值区位于江汉平原和鄂东,低阈值区位于鄂西北,最高阈值出现在武汉站,最低阈值出现在竹山站和房县站。(2)近54 a来湖北多年平均的极端降水日(D_ep)、极端降水量(P_ep)、极端降水强度(I_ep)、最大5 d降水(R_{5 d})和雨量比均存在明显的区域特征,但I_ep、R_{5 d}的地域差异不如D_ep、P_ep明显。鄂西南南部以及鄂东南东部和南部是极端降水事件的高发区,鄂西北北部是极端降水事件的低发区。(3)极端降水指数(R)能反映极端降水的强弱,其大尺度存在明显的年际差异,而长期变化趋势不显著,P_ep、I_ep和雨量比呈弱增加趋势,R_{5 d}和极端降水频数呈弱减少趋势。(4)城市化发展速度会改变R及其局地距平百分比DR_ij、趋势系数和气候倾向率的空间分布。随着城市化发展速度加快,湖北城市“雨岛效应”的格局发生了变化,D_ep、P_ep、I_ep、R_{5 d}及其DR_ij从南北差异明显变为东西差异明显,江汉平原和鄂东的D_ep、P_ep、I_ep、R_{5 d}增加,而鄂西南的减少,且四者趋势系数通过显著性水平检验的站点数更多,气候倾向率绝对值也普遍增大,但大部分站点的变化趋势为负值。(5)湖北极端降水具有明显的城市效应,城市化发展速度较快的大城市代表站的极端降水阈值大于配对的小城市代表站,两种代表站平均的D_ep、P_ep、I_ep、R_{5 d}的年际变化较一致,但大城市代表站的I_ep、R_{5 d}普遍较大,极端降水的变化趋势更明显。

     

极端气候对平均气候变化的非线性响应及其敏感性试验

平均气候与极端气候两者发生的概率具有密切联系.从理论和观测事实两方面证明一地平均气候与其极端气候的对应概率存在着明显的非线性关系.假定气候变量有对称概率分布和非对称概率分布两种状况,从理论上证明,平均气候变化前后所对应的极端气候概率具有非线性变化;通过对若干个代表站及气候场资料的平均值与所对应极值概率计算结果,证明理论符合观测事实.进一步借助于数值试验考察了概率分布模式的各个参数之变化对极端气候概率的影响.根据观测事实的举例,也表明了不同概率分布条件下,基本上都有如此变化规律.     

21世纪中国极端降水事件预估

评估分析了欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-range Weather Forecasts,ECMWF）细网格模式（以下简称EC-thin）在长三角地区汛期（5-9月）的暴雨预报评分及ECMWF降水极端天气预报指数（EFI）对暴雨预警的指示作用。研究发现：（1）EC-thin降水和降水EFI对暴雨预报的ETS评分随着预报时效的延长而明显降低,在短时效内,细网格模式降水预报占优,超过60 h后,降水EFI的评分相对更好。（2）对EC-thin降水而言,在不同的预报时效采用不同的降水阈值来预报暴雨,可望达到最佳的评分效果。短期时效内该阈值随着预报时效的延长,大致从55 mm逐渐下降到35 mm。（3）对于降水EFI而言,12-36 h内EFI为0.65~0.7时,暴雨预报ETS评分最高。随着预报时效的延长逐渐下降,60-84 h内EFI为0.55~0.6时,暴雨预报ETS评分最高。（4）在不同预报时效内,采用合理的方式和阈值综合考虑EC-thin降水和降水EFI,可望得到更高的暴雨预报评分。

     

武汉市10个主要极端天气气候指数变化趋势分析

根据武汉市1951—2007年逐日气温、降水量计算分析了10个极端天气气候指数的变化特征。结果表明:1)4个气温指数中,年及四季高、低温阈值均为上升趋势,并造成最长热浪天数的延长和霜冻日数的减少;低温阈值升速明显快于高温阈值,高温阈值仅在春季变化显著,最长热浪天数仅在冬季变化显著;低温阈值则为极显著上升趋势,尤其是年和冬季,造成热春、暖冬频繁;暖夜、闷热、傍晚至夜间的强对流等显著增多,暖日、高温热浪增加,霜冻日大幅减少。2)6个极端降水指数以增趋势为主,其中强降水阈值、比例、日数以及最大5日降水量在冬季增趋势最明显,仅夏季强降水阈值、比例略有减小,冬季日降水强度的增大趋势、夏季持续干期的缩短趋势显著性水平分别可达0.1、0.01。3)一些气温指数在1980—1990年代发生突变,而降水指数未现突变。     

未来极端降水对气候平均变暖敏感性的蒙特卡罗模拟试验

利用Weibull分布拟合逐日降水的原始分布模式,并基于统计降尺度和蒙特卡罗随机模拟方法,对中国东部区域各站逐日极端降水量在未来气候变暖条件下的响应特征进行统计数值试验.结果表明,在全球变暖背景下,区域平均温度的改变即可导致区域极端降水概率分布特征的变动.从两个典型代表区域的预估结果中可见,长江中下游南部平均降水量对平均温度升高有正响应,模拟得到的区域极端降水概率分布曲线有明显的向右平移,导致大量级的极端降水的再现期缩短即概率增大.山东及渤海湾区域平均降水量对平均温度升高有负响应,模拟得到的区域极端降水概率密度分布尺度参数变小更明显,即方差增大,表现为左右两侧概率密度增加,同样导致大量级的极端降水再现期缩短即概率增大.本文仅考察了气候均值改变条件下,未来区域气候极端值的概率预估的可行性方案.对于未来气候方差的变化并未作试验,但理论上已经证明,未来气候极端值的概率对于气候方差变化的敏感性可能更大.由于目前尚未整卵出考察方差变化的较为完整的实际观测资料,该问题还有待进一步深入研究.     

基于ECMWF集合预报的极端天气预报产品应用和检验

通过个例总结和大样本分析的方法,本文分析和总结了ECMWF集合预报系统(EPS)中的极端温度和降水预报产品。以上产品主要为08—08时的平均气温、最高气温、最低气温和降水量四个要素的极端天气预报指数(extreme forecast index,EFI)和SOT("shift of tail"index)。研究显示,气温EFI和SOT预报效果接近,降水SOT优于EFI。运用过去3年的资料,以TS评分最大为标准,分别确定了不同时效、不同百分位的极端高低温和极端强降水事件在我国的预报阈值,及其对应的各检验参数。对于1%(99%)百分位的极端低温(高温)事件,平均气温EFI和SOT的阈值分别在-0.85(0.75)和0.38(0),最高和最低气温的阈值与平均气温的阈值接近。对于95%和99%的极端强降水事件,EFI的阈值分别在0.45和0.7左右,SOT的阈值分别在-0.6和0.4左右。整体上呈现时效越长阈值越小,预报效果越差;事件越极端,阈值越大的特点。且此时的bias接近或略大于1,表明预报的发生频率与实况比较接近,具有较好的应用价值。气温EFI和SOT的预报效果和阈值存在明显的季节差异,夏季预报较好,阈值较大,冬季预报较差,阈值较小。降水的季节差异不明显。EFI和SOT的预报效果和阈值在空间分布上也存在一定的差异,且不同的产品空间分布差异不同。     

定量降水预报技术进展

采用ECMWF interim再分析资料、ECMWF集合预报资料、自动站降水资料,运用“集合异常预报法”和“EFI（Extreme Forecast Index）阈值法”对浙江东部一次台风远距离极端降水的成因和可预报性进行探讨,结果表明：（1）台风倒槽长期存在,在北侧冷空气入侵作用下在浙江沿海地区引起锋生,并在倒槽顶端诱生低压环流,是造成浙江东北部大暴雨的主要原因。（2）36 h时效的集合预报显示,大气可降水量、850 hPa南风分量、925 hPa水汽通量和200 hPa辐散都超过气候平均值3~4个标准差,且超过3个标准差的概率也达到了70%~90%,表明浙江沿海有优越的动力和充沛的水汽条件,异常强烈的天气信号,预示发生极端降水为高概率事件。（3）随着预报时效的延长,各物理量异常概率会明显减小,因此在判断极端天气发生可能性时应降低预警的概率阈值。（4）不同时效降水的EFI对95%和99%百分位事件的预报效果均很好,可以比确定性预报提前3~4 d提供极端降水信号。EFI指数所反映的极端降水信息较确定性模式更加可靠且稳定,在决策服务中具有更高的参考价值。（5）“集合异常预报法”可以获得与极端天气相关的形势场和物理量的异常概率,而EFI在长时效的预报更具优势,两者结合、优势互补,可以为预报员提供更全面的极端天气信号。